關(guān)山水庫河湖連通工程提水閘閘型方案比選分析

齊 奇

(遼寧省江河流域管理局，遼寧 沈陽 110003)

河湖連通對于區(qū)域水安全、生態(tài)保護(hù)及水資源利用十分重要[1]，當(dāng)前，河湖連通研究得到國內(nèi)的廣泛關(guān)注[2- 7]。近些年來，遼寧省開始河湖連通工程設(shè)計，但在河湖連通中存在如何選擇水閘閘型的問題，需要對水閘閘型方案進(jìn)行比選[8]。為探討適合于北方地區(qū)河湖連通工程的水閘閘型，本文以關(guān)山水庫為研究實(shí)例，進(jìn)行水閘閘型比選。關(guān)山水庫具有得天獨(dú)厚的地理優(yōu)勢，是東洲河流域內(nèi)唯一一座中型防洪控制樞紐建筑物，防洪效益巨大，但調(diào)控范圍有限，無法對全流域做出貢獻(xiàn)。連年干旱導(dǎo)致周邊地下水減少，流域內(nèi)缺水人口急劇增加，關(guān)山水庫供水任務(wù)加重。隨著氣候的變化，極端干旱情況出現(xiàn)的頻率會有所增加，屆時關(guān)山水庫的年徑流減少，而用水量增加，將會形成更大用水缺口。隨著居民、灌溉、工業(yè)用水量增加，水資源更加緊缺，導(dǎo)致河道生態(tài)流量減小。關(guān)山水庫是水利部批準(zhǔn)的國家水利風(fēng)景區(qū)，近年來水庫內(nèi)蓄水量逐年減少，水域面積逐年減小，生態(tài)環(huán)境日益下降。為保障關(guān)山水庫生態(tài)環(huán)境，通過水庫河庫連通工程將與水庫僅一嶺之隔的救兵河河水引入水庫，增加可供水量和水庫蓄水量，擴(kuò)大水域面積，改善水庫生態(tài)環(huán)境，增加水庫下游河道生態(tài)用水量。

1 工程概況

工程位于撫順縣救兵鎮(zhèn)，項目區(qū)人口5.1萬人，耕地面積10.5萬畝。本項目為供水補(bǔ)給工程，年引水量為900萬m3，主要建筑物為提水閘工程、提水閘上下游河道防護(hù)工程、進(jìn)水閘工程(包括10m灌溉渠道)、引水閘及引水暗涵工程、提水泵站工程、連接洞工程、引水管線工程、進(jìn)場路工程、橋梁工程、堤路填筑工程和生態(tài)防護(hù)工程。根據(jù)SL 252—2017《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》，確定本工程等別為Ⅴ等，工程規(guī)模為小(2)型。其中河閘級別為5級，提水閘洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為10年，校核標(biāo)準(zhǔn)為20年。根據(jù)GB 5025—2010《泵站設(shè)計規(guī)范》，提水泵站級別為5級，提水泵站洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為10年，校核標(biāo)準(zhǔn)為20年。工程總布置如圖1所示。

圖1 關(guān)山湖河湖連通工程工程布置圖

2 提水閘閘型方案及設(shè)計參數(shù)比選

2.1 提水閘閘型方案比選

2.1.1 閘型1：鋼結(jié)構(gòu)水力自控翻板閘門

鋼結(jié)構(gòu)水力自控翻板閘門是河湖連通常用的提水型閘型，采用杠桿平衡方法進(jìn)行聯(lián)軸運(yùn)轉(zhuǎn)，通過閘門和水力之間的相互作用力進(jìn)行平衡，結(jié)合阻尼反饋系統(tǒng)對水閘閘門的水位進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)水閘上游來水量不斷增加后，閘門逐步向上抬升，閘門的水動力壓力大于水壓力對閘門支點(diǎn)的壓力時，閘門傾向角度加大，當(dāng)閘門的傾向角度大于水壓力時，水閘達(dá)到重新平衡。上游來水量不加大的前提下，閘門的傾向角度不發(fā)生變化。隨著上游來水量不斷減少后，閘門受到水壓力與阻尼反饋系統(tǒng)平衡作用下的力矩達(dá)到平衡后，閘門自動翻轉(zhuǎn)到一定的傾向角度，使得此時來水量下的動力達(dá)到平衡。

優(yōu)點(diǎn)：本閘型為水力自控，無需人員啟閉，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，應(yīng)用廣泛。

缺點(diǎn)：①在上游來水量較大時，對上游洪水有阻礙作用；②上游來水?dāng)y帶的河道垃圾及漂浮物難以清理，對整個區(qū)域的防護(hù)安全及河道生態(tài)環(huán)境造成一定程度的影響；③發(fā)生較大洪水后，水閘底部沙石造成翻板關(guān)閉不嚴(yán)，造成水閘漏水現(xiàn)象；④水閘主要受到水力作用，不能實(shí)現(xiàn)水閘人工調(diào)節(jié)水位。

2.1.2 閘型2：液壓升降壩

液壓升降壩是近年來得到廣泛應(yīng)用的一種新型閘門。液壓升降壩可以解決傳統(tǒng)橡膠壩安全性、穩(wěn)定性及耐久性較差的局限，并能和橡膠壩實(shí)現(xiàn)人工調(diào)節(jié)功能。液壓升降壩是以底部為軸，攔水壩面背部設(shè)液壓桿，放倒的攔水壩面與河底齊平，不阻礙行洪，這是液壓升降壩最大優(yōu)勢所在。

工作原理：①在液壓升降壩底部設(shè)有鉸鏈軸，對其背部的洪水進(jìn)行有效攔截，從而可實(shí)現(xiàn)水閘降低時可以行洪，而抬升壩高可實(shí)現(xiàn)對水體的攔截；②在水閘背部區(qū)域搭建支撐墩進(jìn)行滑動支撐活動；③利用滑動滾輪對其底部進(jìn)行支撐，結(jié)合液壓升降對其背部和迎水區(qū)域的洪水進(jìn)行攔截，并可實(shí)現(xiàn)人工調(diào)節(jié)水位。

優(yōu)點(diǎn)：①液壓升降壩體跨度大、結(jié)構(gòu)簡單，支撐可靠，易于建造；②液壓升降壩液壓系統(tǒng)操作靈活，可采用浮標(biāo)開關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)自動化操作，達(dá)到無人管理；③液壓升降壩水利條件優(yōu)越，液壓升降壩可基本保持原河床，可暢泄洪水、上游堆積泥沙、卵石和漂浮物而不阻水；④與傳統(tǒng)水閘及類似的橡膠壩相比，過流能力強(qiáng)，泄洪量大，特別適用于橡膠壩不宜建造的多砂、多石、多樹和寒冷地區(qū)河流，還可以做到任意調(diào)節(jié)壩高溢流，可控制上游水位泄量；⑤液壓升降壩耐久性好；⑥適用范圍廣。

缺點(diǎn)：液壓缸需要經(jīng)常維護(hù)保養(yǎng)，需要接引動力電。

2.1.3 閘型3：鋼壩閘

鋼壩閘是一種新型可調(diào)控溢流壩，由門葉、底軸、連桿、驅(qū)動裝置、底軸與閘墻、門葉與閘墻的底水封裝置構(gòu)成。底部與兩端閘墻進(jìn)行連通，門葉剛體結(jié)構(gòu)與外部進(jìn)行延伸，驅(qū)動裝置往復(fù)運(yùn)動帶動連桿擺動，通過連桿使底軸在一定角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)門葉作扇形運(yùn)動，以達(dá)到控制水位的目的。可任意開度運(yùn)行，還允許門頂溢流，具有良好的調(diào)節(jié)水位特性，另外常規(guī)翻板式鋼閘門驅(qū)動裝置位于閘墻河道內(nèi)側(cè)，而鋼閘門驅(qū)動裝置位于閘墻外，安裝和維護(hù)方便。

優(yōu)點(diǎn)：①由于鋼壩閘可以設(shè)計的比較寬，減少了孔閘墩數(shù)量，節(jié)省土建投資；②鋼壩閘可以在水下進(jìn)行常年運(yùn)行，不需要添加潤滑劑，鋼體采用特殊材料不會出現(xiàn)生銹現(xiàn)象；③鋼壩閘平均轉(zhuǎn)速可以達(dá)到1～2m/min，在2min內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)鋼壩閘快速抬升和下降，在突發(fā)洪水時保證洪水的順利下泄；④鋼壩閘具有鎖定功能，當(dāng)進(jìn)行人工水位調(diào)節(jié)時可實(shí)現(xiàn)閘門的固定；⑤鋼壩閘可實(shí)現(xiàn)自動化控制，實(shí)現(xiàn)操作的自動化；⑥在冬季，鋼閘壩可沿著冰層向上部進(jìn)行延伸，對冰層的壓力可以進(jìn)行有效釋放，鋼體本身不會呈現(xiàn)任何程度的影響，在春節(jié)可以安全渡過凌汛，實(shí)現(xiàn)鋼壩在冬季的穩(wěn)定運(yùn)行；⑦在鋼壩閘門的底部有兩個鋼槽，具有特殊的鋼體結(jié)構(gòu)，當(dāng)其上游來水使得其圓軸被卡壓住后，其止水密封性始終可以保持良好狀態(tài)，而側(cè)面同樣具有止水功能，河道淤泥受到鋼槽止水條的作用，對鋼閘門的抬升和下降不會產(chǎn)生任何影響。

缺點(diǎn)：①投資最高；②閘兩側(cè)搖臂容易受到洪水作用，承重能力較差。

3種閘型比選結(jié)果見表1。

綜合3個閘型各方面優(yōu)缺點(diǎn)，閘型1由于阻水，對河道行洪不利，故不能采用；閘型2、3都能滿足工程所需和安全運(yùn)行，但結(jié)合投資情況來看，閘型2優(yōu)于3。以投資經(jīng)濟(jì)合理為原則，并結(jié)合本流域氣候、地形等特點(diǎn)，綜合考慮設(shè)計推薦選用閘型2。

2.2 引水管線材質(zhì)比選

在設(shè)計閘型優(yōu)選比對基礎(chǔ)上，對其引水管線材料進(jìn)行了比對分析，分析結(jié)果見表2。

通過分析比較，玻璃鋼夾砂造價低，但施工復(fù)雜，供水安全性相對較低；PE管水力條件好，防腐好，施工簡單，但對地基要求高，管道回填必須放置砂墊層；球墨鑄鐵管承壓較低，造價較高，實(shí)際運(yùn)行維護(hù)簡單；鋼塑復(fù)合管輸水保障率較高，強(qiáng)度高，管道承壓好，防腐性能及抗?jié)B性好，管材費(fèi)用較高。結(jié)合本工程實(shí)際管線布置情況及運(yùn)行環(huán)境綜合考慮，工程管材選擇鋼塑復(fù)合管。

3 結(jié)語

在北方地區(qū)，綜合考慮冬季冰凍、運(yùn)行情況、對河道行洪影響以及經(jīng)濟(jì)投資等因素，在河湖連通工程中推薦采用液壓升降壩作為提水水閘的閘型。

表1 不同閘型項目對比結(jié)果

表2 引水管線材質(zhì)對比結(jié)果

綜合考慮輸水保障率，負(fù)荷強(qiáng)度、管道承壓性能、防腐性能以及抗?jié)B性能等，推薦選用鋼塑復(fù)合管作為其引水材料。在工程實(shí)際設(shè)計時，還應(yīng)考慮區(qū)域?qū)嶋H情況，進(jìn)行水閘閘型方案的優(yōu)選。